馬曉宇

(包頭職業(yè)技術學院,內蒙古包頭,014030)

·復卷機傳動控制·

復卷機傳動控制系統(tǒng)的設計及應用

馬曉宇

(包頭職業(yè)技術學院,內蒙古包頭,014030)

造紙行業(yè)中的下引紙復卷機直流傳動控制系統(tǒng)的技術關鍵在于退紙輥的恒張力控制。本設計圍繞退紙輥的恒張力控制要求,在程序設計上必須實現(xiàn)退紙輥的直徑計算功能、紙幅的直接張力檢測補償功能以及在系統(tǒng)加減速過程中動態(tài)慣量補償功能,并結合對以上程序功能的設計和應用,對下引紙復卷機傳動控制系統(tǒng)進行設計。

直徑計算；恒張力控制；動態(tài)慣量補償；復卷機

卷取和分切工藝廣泛應用于造紙行業(yè)、紡織行業(yè)。在造紙車間的下引紙復卷機生產(chǎn)過程中,經(jīng)常遇到成品紙卷斷頭較多、紙卷端面粗糙、串紙現(xiàn)象嚴重等問題,這些問題可能是復卷機在運行過程中,紙幅張力不穩(wěn)定造成的。為了改善成品紙卷的質量,提高造紙車間的生產(chǎn)效率,研究和改進下引紙復卷機傳動的恒張力控制系統(tǒng)成為技術關鍵,即能否實現(xiàn)退紙輥的恒定張力控制。如果達不到張力恒定的控制要求,將嚴重影響設備的運行效果,且成品紙卷質量達不到客戶要求。退紙輥的恒張力控制系統(tǒng)的設計主要包括以下部分：退紙輥直徑計算功能、張力給定控制功能、直接張力檢測功能、紙幅慣量補償功能以及加減速過程動態(tài)補償功能[1]。

1 復卷機傳動系統(tǒng)總體設計

當造紙機上生產(chǎn)的原紙卷不能滿足紙加工或印刷等的成品卷要求時,必須經(jīng)過復卷傳動設備進行切邊、分切等工藝,將原紙卷復卷成規(guī)格和緊度合格的成品紙卷,才能出廠用于紙加工或印刷設備[1]。為滿足復卷傳動設備的工藝要求,對復卷傳動電控系統(tǒng)設計提出以下要求：①在設備運行中前底輥的轉矩必須比后底輥的轉矩大,形成轉矩剪刀差,而且成品卷的實際直徑越大,前底輥的轉矩剪刀差倍數(shù)越?。虎谠谠O備運行中,要保證紙幅張力恒定可調,紙幅張力在人機界面給定；③在引紙過程中前后底輥、退紙輥為速度控制,紙幅的線速度保持一致,保證紙幅平穩(wěn)引到紙芯上；④圓刀電機線速度比紙幅線速度快1.05～1.2倍；⑤壓紙輥的壓力要隨著成品紙卷直徑變化而變化[1-2]。

圖1 復卷傳動系統(tǒng)總體設計圖

圖1為復卷機傳動系統(tǒng)的總體設計圖,其中前底輥、后底輥、退紙輥采用西門子6RA70系列直流調速器驅動直流電機,采用CBP2通信板進行PROFIBUS-DP通信；圓刀采用ABB公司ACS550變頻器驅動六臺圓刀電機；控制單元為西門子S7-300可編程控制器,型號CPU313C-2DP；人機界面采用西門子KTP1000觸摸屏。CPU主站采用PROFIBUS-DP通信方式對直流調速器進行通信。使用STEP7和Wincc Flexible編程軟件對傳動控制系統(tǒng)進行組態(tài)和編程設計。

圖2 后底輥控制程序設計圖

2 復卷機傳動系統(tǒng)軟件設計

復卷機程序設計的控制目的包含以下四方面：①后底輥速度控制；②前底輥速度及轉矩限幅控制；③退紙輥速度及恒張力控制；④壓紙輥的壓力控制[3]。復卷機傳動系統(tǒng)的軟件設計就是圍繞以上控制目的展開一系列滿足控制工藝要求的程序設計。

從后底輥控制的程序設計開始,后底輥是復卷機傳動控制系統(tǒng)的主點,其速度給定值由操作屏設定,在引紙過程中為引紙速度給定,在運行過程中為運行速度給定。在程序中,通過引紙狀態(tài)或運行狀態(tài)的邏輯控制進行引紙或運行速度選擇。在操作屏設置參數(shù)中可以對程序中的速度斜坡函數(shù)加速時間和減速時間進行設置,根據(jù)現(xiàn)場紙品和復卷機工藝的要求設置加速時間和減速時間為100～180 s。對后底輥設定的速度進行斜坡輸出,將得到的線速度斜坡輸出值轉換為6RA70直流調速器輸出的標稱值,從而對后底輥進行速度控制。后底輥速度控制程序設計如圖2所示。

前底輥的速度跟隨后底輥的速度,后底輥的速度斜坡輸出值作為前底輥的速度給定值。在引紙狀態(tài)下,前底輥的速度給定值和后底輥的速度給定值相同,并且對前底輥轉矩值不進行限幅；在運行狀態(tài)下,前底輥的速度給定值是后底輥速度給定值的1.05～1.2倍。前后底輥的運行速度為后底輥給定速

度,而前底輥的速度給定值卻未達到,目的是為了讓前底輥轉矩值達到正轉矩限幅狀態(tài),以便于對前底輥的正轉矩限幅進行控制。后底輥的實際反饋值乘以前底輥轉矩剪刀差系數(shù),得到的數(shù)值作為前底輥的正轉矩限幅給定值。實際的效果是前底輥速度和后底輥速度一樣,且等于后底輥的給定速度,但前底輥實際轉矩值卻比后底輥實際轉矩值大,這樣形成前后底輥轉矩剪刀差效果,目的在于提高成品紙卷的緊度,達到成品紙卷的質量要求。前底輥在引紙狀態(tài)的速度控制和運行狀態(tài)的正轉矩限幅控制程序設計如圖3所示。

為使退紙輥達到恒張力控制,就必須了解退紙輥的傳動工藝。退紙輥的速度給定分為引紙速度給定和運行速度給定。退紙輥的引紙速度給定值和后底輥的引紙速度給定值相同,目的是保持相同的引紙速度,但必須在操作屏設置正確的退紙輥直徑。退紙輥的運行速度給定值是反向速度給定值,在紙幅的拉動下,退紙輥處于制動狀態(tài)時,才能達到負轉矩限幅狀態(tài),軟件設計的程序只需控制退紙輥負轉矩限幅值的大小,并保持負轉矩限幅值與退紙輥的直徑成正比,即保持紙幅的張力恒定,實現(xiàn)退紙輥恒張力控制[3- 4]。退紙輥張力給定值分為停止張力給定值、引紙張力給定值和運行張力給定值,通過程序邏輯控制進行張力給定值選擇,通過在操作屏進行張力加減速時間設置，將張力選擇輸出值進行張力斜坡函數(shù)計算輸出。后底輥速度反饋值與退紙輥速度反饋值通過公式計算得到退紙輥的實時直徑。將張力斜坡輸出值與退紙輥直徑進行公式計算,得到退紙輥負轉矩限幅給定值,并將退紙輥慣量補償值、退紙輥電機慣量補償值和加減速過程中動態(tài)慣量補償值進行計算，疊加得到退紙輥負轉矩限幅給定值。將此值轉換為6RA70直流調速器輸出的負轉矩限幅標稱值,從而對退紙輥進行恒張力控制。退紙輥速度控制和恒張力控制設計思路如圖4所示。

3 直徑計算功能程序設計

退紙輥直徑計算功能是復卷傳動控制系統(tǒng)的重要功能,直徑計算結果是否準確直接影響退紙輥的張力控制是否準確,也影響退紙輥在引紙狀態(tài)時實際引紙速度是否準確,也影響退紙輥的反饋轉速轉換為退紙輥的線速度是否準確[5]。所以退紙輥直徑計算非常重要。退紙輥的直徑主要通過后底輥編碼器反饋轉速和退紙輥編碼器反饋轉速進行計算,公式推導如下[1]：

圖3 前底輥控制程序設計圖

圖4 退紙輥控制程序設計圖

(1)

式(1)中,Vxian為紙幅的線速度；Dhou為后底輥的直徑；ihou為后底輥減速箱減速比；nhou為后底輥實際反饋轉速；Dtui為退紙輥實際直徑；itui為退紙輥減速箱減速比；ntui為退紙輥實際反饋轉速值。通過式(1)得知,退紙輥直徑計算和后底輥反饋轉速值、退紙輥反饋轉速值有關。復卷機在運行過程中,由于紙幅拉動的作用,前后底輥的線速度和退紙輥的線速度相同,而前后底輥的線速度和底輥直徑有關系,退紙輥的線速度和退紙輥直徑有關系,可以通過前后底輥線速度和退紙輥線速度相等的關系，由式(1)推導，反算出退紙輥直徑。

式(1)中,退紙輥直徑是在復卷機運行過程中計算的,當退紙輥原紙卷更換或者退紙輥引紙時,操作人員需要測量出退紙輥的實際直徑,并在操作屏進行直徑預置,達到準確引紙的效果。當設備運行時,程序根據(jù)后底輥和退紙輥的實際反饋轉速值計算退紙輥直徑,計算結果影響退紙輥張力反饋、退紙輥線速度反饋顯示等功能。在斷紙時,如果操作人員未及時停止設備,可能會導致退紙輥直徑計算結果錯誤,為了防止此問題發(fā)生,需要對退紙輥直徑計算結果進行積分計算,防止直徑值突變,給生產(chǎn)帶來不便[6-7]。

4 動態(tài)慣量補償功能程序設計

在復卷傳動運行中,紙幅的張力通過前后底輥與退紙輥之間的線速度差形成。退紙輥直徑Dtui是時間t的函數(shù),而退紙輥直徑Dtui的變化將直接影響紙幅線速度Vxian和退輥轉矩Ttui的變化,所以復卷傳動的運行過程是一個動態(tài)時變過程[1],如圖5所示。

圖5 退紙輥傳動結構圖

由退輥傳動結構圖及受力關系可得動態(tài)平衡方程，見式(2)。

(2)

式中,M動態(tài)為加減速過程中的動態(tài)慣量,M為電機電磁轉矩,M機為電機的空載轉矩,itui為退紙輥減速箱減速比,Dtui為退紙輥的直徑。為了研究方便,認為紙幅在恒速運行中,動態(tài)慣量M動態(tài)為零,電機空載轉矩M機很小,可以忽略。根據(jù)發(fā)電機原理可得式(3)。

M=CMφId

(3)

式中，CM∮為發(fā)電機勵磁,Id為電樞電流。

則由式(2)和式(3)可推導出[1]式(4)。

(4)

由式(4)可知,在穩(wěn)態(tài)運行過程中,紙幅張力的控制可由電機輸出相應的制動轉矩電流來實現(xiàn)。要保持張力T恒定,則退輥電機制動電流與退卷直徑成正比例變化。但在復卷機加速或減速過程中,M動態(tài)不能忽略,如果在復卷機加速或減速過程中忽略M動態(tài),會造成紙幅斷裂,或成品卷斷面不齊,無法滿足成品卷的質量要求。所以對M動態(tài)的研究顯得尤為重要。M動態(tài)公式推導如下[1]：

(5)

在數(shù)值上,dn/dt?dDtui/dt,所以式(5)可簡化為如式(6)所示。

(6)

紙卷的飛輪轉矩如式(7)所示。

(7)

(8)

式(5)、式(6)、式(7)、式(8)中,b為紙幅寬度；ρ為紙張密度；Dtui為退紙輥直徑；D芯軸為退紙輥筒直徑；a為復卷機加速和減速過程中的加速度；i為退紙輥減速機減速比。通過上式推導,可以得出復卷機在加速或減速過程中需要補償動態(tài)轉矩值[1.7]。

5 直流調速器的現(xiàn)場調試

本課題設計采用西門子6RA70系列直流調速器驅動直流電機,采用CBP2通信板通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與PLC進行信息交互。在某造紙廠現(xiàn)場調試時,必須保證直流調速器的硬件接線與圖紙一致,直流調速器、直流電機和編碼器屏蔽線要牢固接地,保證電源進線和直流輸出線絕緣良好,避免短路現(xiàn)象。通電時觀察電壓是否正確,風機是否轉動,通電正常后,進行調速器參數(shù)設置,以退紙輥調速器參數(shù)設置為例,如表1所示。

表1 退紙輥調速器參數(shù)表

按照表1對退紙輥調速器進行參數(shù)設置,設置完后進行保存,重新通電,進行調速器自整定調節(jié)。先將速度反饋改為EMF反饋,弱磁使能關閉,進行電流環(huán)辨識,將P051設置為25,進行合閘運行,觀察自整定情況是否正常。再進行速度辨識,將P051設置為26,進行合閘運行,觀察自整定情況是否正常。最后進行弱磁辨識,將速度反饋改為編碼器反饋,弱磁使能打開,將P051設置為27,進行合閘運行,觀察自整定情況是否正常。如果在辨識過程中報故障,查詢故障原因,進行相應的故障處理。

由于6RA70直流調速器具有很好的調速性能,經(jīng)過以上調試方法,現(xiàn)場運行效果良好,速度環(huán)和電流環(huán)運行穩(wěn)定,達到了調速目的。在軟件編程方面采用以上理論研究成果,在實踐中取得很好的效果。特別是動態(tài)補償功能,在設備加速和減速過程中起到關鍵作用,成品紙卷端面平整,不斷紙,不打褶。達到了本設計的目的和要求。

6 結 語

復卷機傳動控制系統(tǒng)設計是很復雜的軟件編程設計,在實現(xiàn)對前后底輥、退紙輥速度控制功能和轉矩限幅控制功能設計的基礎上,重點對退紙輥直徑計算功能和動態(tài)慣量補償功能的設計和公式推導做了詳細分析,在復卷機運行過程中,準確的退紙輥直徑計算功能是保證退紙輥張力控制的基礎。在復卷機加速或減速過程中,退紙輥動態(tài)慣量補償功能是保證復卷機紙幅穩(wěn)定和成品紙卷質量的關鍵因素,通過公式推導可以得出退紙卷直徑和動態(tài)補償量之間的關系,由程序編程實現(xiàn)此功能。

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(責任編輯：常 青)

Design and Application of Drive Control System for Rewinder

MA Xiao-yu

(BaotouVocational&TechnicalCollege,Baotou,InnerMongoliaAutonomousRegion, 014030) (E-mail: mxy1976006@sina.com)

The technical key of DC drive control system of underfeed rewinder is constant tension control of the unwinding roll.In order to realize constant tension control of the unwinding roll, program design must include functions of calculation the diameter of the unwinding roll, direct tension detection compensation of the web and dynamic inertia compensation during acceleration and deceleration of the system.The drive control system of underfeed rewinder was designed based on the functions design and application mentioned above． Key words：diameter calculation; constant tension control; dynamic inertia compensation; rewinder

2016- 09- 07(修改稿)

馬曉宇女士，碩士，副教授；主要研究方向：電氣自動控制。

TM921.51

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10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.01.011